Produktionsmetallurgie ist der Zweig der Metallurgie, der Erz, Konzentrat oder recycelten Schrott in Metall umwandelt, das verkauft und verwendet werden kann. Es umfasst alles zwischen der Mine und der Schmelzerei: den Abbau und die Zerkleinerung des Ausgangsmaterials, die Trennung wertvoller Mineralien vom Abfall, die Extraktion des Metalls aus seinen chemischen Verbindungen, die Raffination auf eine kontrollierte Reinheit und schließlich die Zugabe von Legierungselementen in der richtigen Form und Reihenfolge. Die Disziplin ist normalerweise in drei Prozessfamilien unterteilt, und die meisten industriellen Flussdiagramme kombinieren alle drei.
Was die Produktionsmetallurgie abdeckt
Extraktions- und Produktionsmetallurgie werden oft synonym verwendet, aber Produktion hat eine umfassendere Bedeutung: Sie umfasst die Umwandlungsschritte, die auf die Extraktion folgen, wie etwa Gießen, Kalibrieren und die Herstellung von Vorlegierungen. Die drei Prozessfamilien sind:
Pyrometallurgie:Behandlung bei hohen Temperaturen, einschließlich Rösten, Schmelzen, Konvertieren und Feuerraffinieren. Es dominiert die Eisen-, Stahl-, Blei- und Ferrolegierungsproduktion.
Hydrometallurgie:Behandlung in wässriger Lösung, einschließlich Auslaugen, Lösungsmittelextraktion und Fällung. Dies ist der Standardweg für Zink und für viele seltene und hochschmelzende Metalle.
Elektrometallurgie:Behandlung mit elektrischer Energie, einschließlich elektrolytischer Raffination und Elektrogewinnung. Auf diese Weise werden Kupfer- und Zinkkathoden sowie Primäraluminium hergestellt.
Die Wahl zwischen ihnen richtet sich nach der Chemie des Erzes und den Energiekosten. Sulfiderze werden in der Regel geschmolzen, da der Schwefel als Schwefelsäure eingefangen werden kann, während Oxiderze, die sich thermisch nur schwer reduzieren lassen, häufiger ausgelaugt werden.
Eisen- und Nicht-eisenmetallrouten
Metalle werden zunächst in Eisenmetalle (auf Eisen basierende Metalle) und Nichteisenmetalle (alle anderen Metalle) unterteilt. Die folgende Tabelle fasst den Weg der wichtigsten Industriemetalle zusammen.
| Metall | Typischer Rohstoff | Hauptproduktionsweg | Primäre Produktform |
|---|---|---|---|
| Eisen und Stahl | Hämatit- und Magnetiterz | Hochofen, einfacher Sauerstoffofen | Roheisen, Stahl, Ferrolegierungen |
| Kupfer | Sulfidkonzentrat | Flotation, Verhüttung, Elektroraffinierung | Kathodenkupfer, Walzdraht |
| Zink | Sulfiderz | Rösten, Auslaugen, Elektrolyse | Spezielles, hochwertiges Zink |
| Aluminium | Bauxit | Raffinierung von Aluminiumoxid, Elektrolyse von geschmolzenem Salz | Primäraluminiumbarren |
| Titan | Rutil und Ilmenit | Chlorierung, Magnesiumreduktion | Schwammtitan |
Die Eisenproduktion hat bei weitem die größte Tonnage und ist auch am engsten mit der Legierungszugabe verknüpft, da die Zusammensetzung fast aller Stähle vor dem Gießen angepasst wird. Nicht-Routen sind häufiger um ein einziges Metall herum organisiert, wobei Nebenprodukte-als sekundäre Einnahmequelle gewonnen werden.
Vom Erz zum Metall: Die Prozessschritte
Obwohl sich die Ablaufpläne unterscheiden, folgen die meisten metallurgischen Produktionsvorgänge der gleichen Schrittfolge:
Bergbau und Rohstoffaufbereitung:Das Erz wird gebohrt, gesprengt und transportiert und anschließend gemischt, sodass der der Anlage zugeführte Gehalt konstant bleibt.
Zerkleinerung:Durch Zerkleinern und Mahlen werden die wertvollen Mineralkörner aus dem umgebenden Gestein und voneinander gelöst.
Begünstigung und Trennung:Schwerkraft-, Magnet- und Flotationsmethoden konzentrieren das wertvolle Mineral und scheiden Ganggestein als Abraum aus.
Extraktion:Das Konzentrat wird reduziert, geschmolzen oder ausgelaugt, sodass das Metall seine Wirtsverbindung in metallischer oder gelöster Form verlässt.
Verfeinerung:Durch Feuerraffinierung, Elektrolyse oder Destillation werden restliche Verunreinigungen bis zu den in der Spezifikation geforderten Grenzwerten entfernt.
Legieren und Gießen:Das raffinierte Metall wird angepasst, entgast und zur weiteren Verarbeitung in Barren, Knüppel oder Vorlegierungen gegossen.
Jedem Schritt ist eine Erholungszahl zugeordnet, und das Produkt dieser Zahlen ergibt den Gesamtertrag. Eine Anlage, die 92 Prozent des Metalls bei der Aufbereitung und 94 Prozent beim Schmelzen zurückgewinnt, gibt nur etwa 86 Prozent des im Erz enthaltenen Metalls zurück, weshalb die Verlustkontrolle als zentrale Produktionsfunktion und nicht als Buchhaltungsdetail behandelt wird.
Ferrolegierungen: Die Brücke zwischen Erz und Stahl
Die meisten Legierungselemente können Stahl nicht in reiner Form zugesetzt werden: Sie schmelzen bei sehr hohen Temperaturen, oxidieren leicht oder sind zu teuer in der Raffinierung. Stattdessen werden sie als Ferrolegierungen zugesetzt, Vorlegierungen, die durch carbothermische Reduktion des Oxids zusammen mit Eisen hergestellt werden. Obwohl diese Legierungen nur einen kleinen Teil der Stahlproduktionsmenge ausmachen, kann keine Stahlschmelze ohne sie fertiggestellt werden.
| Ferrolegierung | Typischer Hauptelementinhalt | Funktion in der Stahlherstellung |
|---|---|---|
| Ferrosilicium | Silizium 74 bis 80 Prozent | Desoxidation und Siliziumlegierung |
| Ferromangan mit hohem-Kohlenstoffgehalt | Mangan 76 bis 82 Prozent | Manganlegierung, Schwefelkontrolle |
| Ferrovanadium | Vanadium 50 bis 80 Prozent | Mikrolegierung für hochfesten Baustahl |
| Eisenwolfram | Wolfram 70 bis 85 Prozent | Werkzeugstahl und hitzebeständiger Stahl |
| Ferromolybdän | Molybdän 55 bis 65 Prozent | Härtbarkeit und Kriechfestigkeit |
Die Zugaberaten werden durch eine einfache Massenbilanz festgelegt. Um 0,5 Prozent Mangan in eine Tonne Stahl zu bringen, sind fünf Kilogramm Mangan in der Schmelze nötig; Bei kohlenstoffreichem Ferromangan mit 78 Prozent Mangan und einer Ausbeute von etwa 95 Prozent beträgt die Ladung fünf geteilt durch 0,78 und dann geteilt durch 0,95, was etwa 6,7 Kilogramm pro Tonne Stahl ergibt. Die gleiche Arithmetik, angewendet auf jedes Element, ergibt die Ladungsbilanz für eine Wärme.
Die Reihenfolge der Zugabe ist ebenso wichtig wie die Menge. Desoxidationsmittel werden vor dem Legieren von Elementen hinzugefügt, damit Sauerstoff die teureren Zusätze nicht verbraucht, und Elemente mit einer hohen Affinität zu Sauerstoff werden spät im Prozess unter einer Schlacke hinzugefügt, die sie vor der Atmosphäre schützt.
Qualitätskontrolle, Produktformen und Standards
Die Produktionsmetallurgie ist eine spezifikationsgesteuerte Branche, daher sind Analyse und Probenahme in den Prozess integriert und nicht am Ende hinzugefügt. Die chemische Zusammensetzung wird bei jedem Guss spektrometrisch bestätigt und die Größenverteilung wird durch Screening kontrolliert, da das Auflösungsverhalten einer Ferrolegierung stark von der Partikelgröße abhängt. Managementsysteme wie ISO 9001 und Prüflaborkompetenz gemäß ISO/IEC 17025 werden häufig von Kunden gefordert, während einzelne Produkte nach nationalen oder internationalen Standards wie GB/T 2272 für Ferrosilicium, GB/T 3795 für Ferromangan und GB/T 3648 für Ferrotungsten gekauft werden.
Produktformen folgen dem nachgelagerten Prozess: Klumpenmaterial für die Schmelzerei, Granulat- und Pulverqualitäten für Strangguss- und Schweißzusätze sowie Brikett- oder Fülldrahtformen, bei denen eine kontrollierte, verlustarme Zugabe in der Pfanne erforderlich ist. Die Packung wird so gewählt, dass die Feuchtigkeitsaufnahme begrenzt wird, da feuchte Zusätze heftige Reaktionen in der Schmelze hervorrufen können.
Häufig gestellte Fragen
F: Was ist der Unterschied zwischen Produktionsmetallurgie und extraktiver Metallurgie?
Die extraktive Metallurgie hört dort auf, wo aus dem Erz Metall gewonnen wird. Die Produktionsmetallurgie umfasst diesen Schritt, umfasst aber auch das Raffinieren, Legieren und Gießen in verkaufsfähige Formen.
F: Welche Prozessfamilie wird in der Industrie am häufigsten verwendet?
Bei der Tonnage ist die Pyrometallurgie führend, da Eisen, Stahl, Ferrolegierungen und die meisten unedlen Metalle in Öfen bei hohen Temperaturen hergestellt werden. Hydrometallurgie und Elektrometallurgie verarbeiten minderwertigere und komplexere Rohstoffe.
F: Warum werden Metalle in Form von Ferrolegierungen legiert?
Ferrolegierungen senken den Schmelzpunkt und die Dichte des Zusatzes, reduzieren Oxidationsverluste und liefern das Element in einer Form, die sich vorhersehbar in flüssigem Stahl auflöst. Sie sind auch günstiger als die Raffinierung des reinen Elements.
F: Was bestimmt die Rückgewinnung eines Legierungselements?
Die Ausbeute hängt von der Affinität des Elements zu Sauerstoff, der Schlackenchemie, der Zugabetemperatur und der Partikelgröße der Ferrolegierung ab. Eine späte Zugabe unter einer schützenden Schlacke ergibt die höchste Ausbeute.
F: Wie wird die Produktqualität in der Produktionsmetallurgie überprüft?
Jeder Guss wird auf seine chemische Zusammensetzung hin analysiert und Größe, Feuchtigkeit und Schüttdichte werden anhand der Kaufspezifikation überprüft. Rückverfolgbarkeitsaufzeichnungen verknüpfen die gelieferte Charge mit der Hitze und der Rohstoffcharge.
F: Kann recycelter Schrott Erz in der Produktionsmetallurgie ersetzen?
Ja, und in der Stahlproduktion übernimmt es bereits einen Großteil der Arbeit. Auf Schrott- basierende Verfahren umgehen den Abbau und die Reduktion vollständig, sind jedoch auf eine Sortierung angewiesen, um unerwünschte Elemente wie Kupfer und Zinn aus der Schmelze fernzuhalten.
